Бүкіләлемдік антигравитация заңы

Пән: Физика
Жұмыс түрі: Материал
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 7 бет
Таңдаулыға:

Бүкіләлемдік антигравитация заңы

Эйнштейн космологиялық тұрақты шаманың физикалық түсіндірмесін қалдырып кетпеген еді. Ол оны «материалды» факторға қарағанда «геометриялық» тұрғыда қарастырғанын болжауға болады, себебі ол L шамасын жалпы салыстырмалылық теория теңдеулерінің «геометриялық» бөлігіне, яғны сол жақ бөлігіне орналастырылған. Сонда тұрақты Л шамасы кеңістік-уақытыың тұрақты қисаюдың болуын білдіреді және осы сипаттағы қисықтық кеңістікте қандай да бір массаның/энергияның болуына немесе болмауына байланысты емес. Геометриялық интерпретациясы алдағы уақытта соншалықты дамымады.

Эйнштейн-Глинер вакуумы

1960 жылдардың ортасында Э. Б. Глинер космологиялық тұрақты шаманың "материалды" түсіндірмесін ұсынған. Оның ұсынысы бойынша что идея Эйнштейна эквивалентна предположению о существовании во Вселенной идеально однородной макроскопической среды с плотностью

\[r_{n}={\frac{\Lambda}{8\pi G}}\]

(1. 1)

Бұл жерде G - Ньютонның гравитациялық тұрақты шамасы,

(1. 2)

Күйінің теңдігі соншалықты ерекше орта ешқандай «қалыпты» сұйықтықтар мен газдарға ұқсамайды. Глинер бойынша, оның ең маңызды әрі ерекше қасиеттерін тізіп шықсақ [15] :

Бұл орта санау жүйесі ретінде қызмет атқара алмайды. Егер бір-біріне біршама нөлдік жылдамдықпен жылжитын екі санау жүйесі болса, онда күйінің теңдігі (1. 2) бар орта екеуіне де ілеседі. Яғни, сондай ортаның қозғалысы мен тыныштық күйі анық танылмайды. Дегенмен бұл вакуумның негізгі механикалық қасиеті болып табылады. Бұл дегеніміз теңдікпен (1. 1), (1. 2) сипатталатын орта вакуум болып табылады.
Күйінің теңдігі бар орта өзгертілмейтін және «шексіз» болып табылады. Оның энергиясы уақыт өлшеміндегі ең аз абсолютті және тұрақты мөлшері болып саналады. Бұл вакуумның тағы да бір қажет қасиеті.
Теңдікпен (1. 2) анықталатын қысымды орта тартылыс күшіне қарама-қарсы антигравитациялық күшті тудырады. Жалпы қатыстылық теориясы бойынша тартылыс күші ортаның тығыздығы (Ньютон теориясында қарастырылғандай) ғана емес, сондай-ақ оның қысымы арқылы анықталады. Сонымен қатар, «тиімді гравитациялық тығыздық» жалпы жағдайда екі қосындының қосындысы ретінде көрсетіледі:

\[r_{\mathit{e},{\mathit{P}}}=r+3\rho\]

(1. 3)

Формуланың оң жақ бөлігінде (1. 3) тығыздық алдындағы 1-коэффициент қысым алдындағы 3-коэффициент уақыттың бір өлшемділігінен пайда болатынын, ал кеңістік болса үш өлшемді болып келетінін ескерген жөн. Күйдің теңдігіндегі (1. 2) оң жақтағы қосынды (1. 4) теріс болып табылады:

\[r_{\mathit{e}{\beta}}=r_{\nu}+3r_{\nu}=-2\rho_{\nu}<0\]

(1. 4)

Теріс тиімді тығыздық «теріс» тартылыс күшін білдіреді. Антиграфитациялық күш ғаламдық тартылыс күшіне қарағанда денелерді жақындатуға емес, керісінше оларды бір-бірінен алшақтатуға тырысады. Егер вакуумға бастапқыда бір-біріне қатысты тыныштық күйіндегі сыналатын екі бөлшекті салатын болсақ, кейін вакуум оларды бір-бірінен алыстататын болады.

Ньютон физикасының тілімен айтқанда, вакуум белгілі бір күшті тудырады, бірақ оған тартылыс күшінің сыртқы күштері және өзінің антигравитациялық күші әсер етпейді (макроскопиялық орта сияқты) . Физикада массаның үш түрі бар: белсенді гравитациялық масса, яғни тартылыс күшін тудыратын масса, пассивті масса, яғни тартылыс күшін қабылдайтын масса (оны «сезетін») және Ньютонның қозғалыс теңдігінің сол жағында тұрған инертті масса. Табиғаттың барлық нысандары, денелер мен энергия, соның ішінде вакуум де массаның осы үш түріне ие. Аталған тиімді гравитациялық тығыздық - бұл белсенді гравитациялық массаның тығыздығы. Кез келген бірыңғай орта үшін гравитациялқ массаның пассивті тығыздығы келесі арақатынас арқылы беріледі:

\[r_{\ m a s s}=r+\rho\,\]

. Вакуумде осы шама нөлге айналады:

\[r_{\ p a s s}=r_{\nu}+\cdot\rho_{\nu}=0\]

. Дәл осы себепті вакуумге сыртқы не өзінің тартылыс күші әсер етпейді. Бұл белгілі бір іс-әрекеттің қарсы әрекетке әкелмейтін физикадағы жекеше жағдай. Қатыстылықтың жалпы теориясына негізделетін эквиваленттілік принципі бойынша вакуумның инертті массассы да (оның тығыздығы

\rho_{in} = \rho + + \rho

) формуласы арқылы алынады) нөлге тең болады.

Күңгірт энергияның тығыздығы тұрақты шама болғандықтан, вакуумды кеңістікті барлық масштабы бойынша - космологиялық өлшемінен барынша ең кішкентай мөлшеріне дейін біркелкі толтыратын орта ретінде қарастырған жөн. Дәлірек айтқанда, кішкентай масштабтар тұсында біз тек милиметр үлесі жайлы айта аламыз, бірақ одан кем емес, себебі тартылыс теориясы және оның кері квадраттар заңы тәжірибелік тұрғыда суб-милиметрлік қашықтықта сыналған. Аса сенімділікпен вакуумның сантиметр өлшеміндегі кішкентай масштабтарға дейін бар екеніне және біркелкі екеніне көз жеткізуге болады. Күңгірт энергияға салынған денелер (макроскопиялық өлшемдегі денелер) орын алатын көлемінен ығыстырылмайды - күңгірт энергияның тығыздығы дененің сыртында және ішінде бірдей болып табылады. Космологиялық тұрақтының осындай пайымдамасы (40 жыл бұрын қарсылықпен қабылданған) қазірде көпшілікпен мақұлданған. Ары қарай анықтық үшін тығыздығы (1. 1) және күйінің теңдігі (1. 2) бар ғарыштық ортаны Эйнштейн - Глинер (ЭГ-вакуумы) вакуумы ретінде атаған жөн. [15]

Астрономдармен ашылған күңгірт энергия -ЭГ-вакуумының өзі деп санауға негіз бар. Бұған тұжырымды дәлелді әлі табу қажет, дегенмен 1998-1999 жылдар аралығында табылған күңгірт энергияға қатысты бақылау деректерінің жиынтығы осындай мүмкіндікке толығымен сәйкес келеді.

ЭГ-вакуумының баламасы қандай? Ғылыми әдебиетте қарастырылатын баламалы гипотезалар космологиялық тұрақтылық жайындағы Эйнштейннің идеясынан кейін шегінуді ұйғарады, дегенмен гипотезаларда күңгірт энергияның қысымын теріс орта ретінде қарастыратын макроскопиялық сипаттама сақталған. Бірақ қысым мен тығыздық арасындағы байланыс теңдікке қарағанда (1. 2) басқаша болып келеді. Сондай гипотезалардың бірі - "квинтэссенция”. Бұл гипотезада қысым мен тығыздықтың арақатынасы тұрақты әрі үлкен минус бірлігі болатын (мысалы, $\ \rho \slash \rho = - \frac{2}{3}$ ) вакуумдық орта ретінде қарастырылмайды. Бұған қоса, тиімді гравитациялық тығыздық ЭГ-вакуумы жағдайындағыдай теріс бола алады. Бұндай орта тұрақты емес: ол уақыт келе өзгереді және оның тығыздығы космологиялық кеңейтімде азаюы қажет. Квинтэссенцияның тығыздығы кеңістікте біркелкі емес. Осы түсіндірменің басымдылығы ең басынан бастап күмән туғызған [16] . Басқа гипотеза болса, күңгірт энергияны $\frac{\rho}{\rho} < - 1$ болатын «фантомды энергия» ретінде түсіндіреді [16-17] . Бұған қоса, қысым мен тығыздықтың арақатынасы тұрақты шама болып табылмайтын орталар да қарастыралады. Осындай түрдің бірі -күңгірт энергия туралы "Чаплыгин газы" гипотезасы. Күйінің теңдігі $\rho = - \frac{C}{\rho}$ . Космологиялық зерттеулердің ұлғайып келе жатқан дәлдігі күңгірт энергия жайлы баламалы түсіндірмелердің санын бірте-бірте тарылтады. Соңғы зерттеу деректері бойынша күңгірт энергияның қысымы мен тығыздығының арақатынасы келесідей:

\[W\circ{\frac{r}{\rho}}_{\rho}-0.97\pm0.09\]

(1. 5)

ЭГ-вакуумы осы шектеуге сәйкес келеді, ал w = -2/3 шамасындағы квинтэссенция болса, қанағаттандырмайды, оған әдәуір тар терезе қалады: - 1 < w < -0, 89. Кейде баламалы нұсқалар сәйкес бақылау терезелері 1 %-дан кем болғанға дейін қызықты болады.

1 бөлімде аталғандай, қазіргі замандағы стандартты космологиялық үлгі (4CDM) космологиялық тұрақтылықтың идеясын қамтиды. 4CDM үлгісінде күңгірт энергияның тығыздығы арақатынас (1. 1) ретінде беріледі. Сонымен бірге стандартты үлгіде жоғарыда сипатталған ЭГ-вакуумының барлық қасиеттері байқалады [17] .

1. 3 Шынайылықтың мәселесі

Егер күңгірт энергияның макроскопиялық түсіндірмесін күйінің теңдігі (1. 2) бар вакуумы ретінде қанағаттырылған деп санағанда, ЭГ-вакуумының микроскопиялық құрылымы жайлы сұрақты ашық болып қалады. Оның күңгірт энергиясының тасушысы қандай микроскопиялық нысандар екені белгісіз. Бұл жағдайда қандайда бір тасушы жайлы айтудың қажеті де әлде физикалық түсінікке және ұғымға беймәлім басқа да тасушыларды тарту керектігі анық емес. Алайда бұл вакуумге қатысты болғандықтан, ЭГ-вакуумы физикада бұрынан бері таныс кванттық өріс вакуумына (К-вакуумы) барабар ма деген сұрақ ойға бірінші болып келеді.

Вакуум жайлы ең төменгі энергетикалық күй ретінде 1920 жылдардың соңынан бастап айтылған еді: оның бар болуы Гейзенбергтің белгісіздік принципінен шығады, К-вакуумының энергиясы «нөлдік» кванттық тербелістерден құралады [18] . Ресми түрде осы энергия стандартты кванттық механикада шексіз болып табылады. Ал шын мәнінде оның мағынасы белгісіз болып қалады, дегенмен бұл теориялық талқылау мен зертханалық тәжірибелердің түсіндірмесі болуға бөгет болмайды. Себебі барлық процестер мен өзара әрекеттесулерде (гравитациялықтан басқа), физикалық әсерлер энергияның «толық» мағынасынан емес, кеңістіктің әртүрлі аймақтарындағы және/немесе әртүрлі уақыт кезеңдеріндегі энергияның айырмашылығына тәуелді болады. К-вакуумының бар екені сөзсіз: дәл осы вакуумде қарапайым бөлшектердің өзара әрекеттесуі қарастырылып, оның қатысушылығы тәжірибеде тікелей байқалады, сондай-ақ Казимир әсеріндегі атомдардың спектрлік сызығының лэмбовтық жылжуында анық байқалады.

Глинер жұмыстарына дейін К-вакуумының макроскопиялық қасиеттері үздіксіз орта ретінде қарастырылғанын және күйінің теңдігі ешбір теорияшылды қызықтырмағанын айта кеткен жөн. Дегенмен 1920 жылдардың аяғы мен 1930 жылдардың басында Г. А. Гамов пен В. Паулиді К-вакуумы әсерлерінің гравитациялық мәселесі алаңдатқан еді. Гамов космологиялық бақылаулардың К-вакуумы тығыздығының шексіз мәндерін болдырмайтынын бірнеше рет атап кеткен. Осы тығыздықтың жоғарыдан шектелгені анық - әйтпесе Ғалам бұрында жаппай күйреуші еді.

1967 жылы Я. Б. Зельдович барлық өрістер мен бөлшектердің вакуумды энергиясының қосындысы (ресми түрде шексіз) К-вакуумы тығыздығының аз мөлшердегі әрі шектік мәнін қамтамасыз ету мүмкіндігі жайлы тұжырымды ұсынған еді. Фермиондар мен бозондардың вакуумдері әртүрлі энергия таңбаларын қамтитыны есептелді және табиғатта бозондар мен фермиондар арасында қатаң симметрия (кейін суперсимметрия деп аталған) болған жағдайында олар бірін-бірі толығымен жоя алар еді. Сонда, қорытындысында барлық өрістердің К-вакуумының нөлдік жиынтық тығыздығы алынады. Бірақ бұндай симметрия абсолютті түрде қатаң болмауы тиіс, керісінше ол сәл ғана басқаша болуы мүмкін. Сол себепті энергияның компенсациясы міндетті түрде толық болмайды және нәтижесінде әрқайсысы ресми түрде шексіз болатын екі вакуумдық энергия шағын айырмашылығы пайда болады. Соңғы жағдайда, Зельдовичтің ойы бойынша екі вакуумның теңдестірілуі - кванттық және космологиялық тұрақты деп сипатталатын. Осы бір ерекше идеяны осыған дейін дәлелденбеген немесе жоққа шығарылмаған еді.

Мәселе космологиялық құбылыстар жөнінде болғандықтан, күңгірт энергияның табиғаты туралы пікірлерде тартылыс күші есепке алынбаса болмайды. Тартылыс күші ғана басқа физикалық әрекеттесулерге қарағанда, энергияны кеңістіктің әртүрлі аймақтарындағы және әртүрлі уақыт кезеңдеріндегі айырмашылықтарын емес, оны толығымен сезінеді. Тартылыс күші ескерілмегенше, белгілі бір энергияның нөлге тең немесе тең еместігі жайлы айту қиынға соғады: энергияның нөлдік мәні өз бетімен таңдалады, ал «абсолютті нөл» ұғымының еш мәні жоқ. Ал тартылыс күші керісінше қарастырылған жағдайда, энергияның нөлдік мәні абсолютті мәнге ие болады және тек осы жағдайда кванттық нөлдік тербелістердің энергиясы белгілі бір мәнге ие болады және космология саласында өз орнын алады.

Осы бағыт бойынша пайымдасақ, кванттық әсерлер мен тартылыс күшінің әсерлері бірдей күшпен әрекерт ететін физикалық өрістердің вакуумдық күйі үш негізгі физикалық константаның өзіндік амалдарымен сипатталуы тиіс: жарық жылдамдығымен (релятивизмді ұсынатын), тұрақты Й Планкасымен (кванттық физика) және гравитациялық G (тартылыс күші) тұрақтысымен. Солай болған жағдайда, К-вакуумы тығыздығының «табиғи» мәні физикада Планк тұрақтысы ретінде белгілі мән болуы қажет еді - қажетті өлшемділігі бар көрсетілген үш константаның жалғыз комбинациясы болып табылады:

\[r_{P}=\frac{c^{5}}{(8\pi G/3)^{2}\vert}\]

(1. 6)

Планк тығыздығының шамасы ~ 10 ⁹¹ г См ^-3 тең, бұл бақыланатын күңгірт энергияның 120 с астам шамасынан жоғары болып келеді. Бұл кез келген мүмкін болатын вакуум тығыздығының жоғарғы шегі болып табылады. Осындай реттіліктің алшақтығы теориялық физикада «шынайылық мәселесі» ретінде қарастырылады.

... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.